鐵路客車DC 48V絕緣監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)與研制

劉建成 夏子杰 陳宇航 馮海波

摘 要：鐵路客車發(fā)生的各類火災(zāi)事故中，電氣系統(tǒng)引發(fā)的故障已逐漸成為威脅客車安全的首要因素。直流系統(tǒng)是鐵路客車供電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，為信號(hào)設(shè)備、自動(dòng)裝置、事故照明、應(yīng)急電源、斷路器分合閘操作等提供直流電源。文中對(duì)現(xiàn)有DC 48 V絕緣監(jiān)測(cè)裝置存在的不足進(jìn)行分析并提出改進(jìn)方案，采用不平衡電橋原理監(jiān)測(cè)絕緣電阻，在母線電壓檢測(cè)單元中加入隔離電路，主控MCU采用STM32F429系列單片機(jī)，軟件部分新增網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙通信功能，可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)和定期軟件升級(jí)。實(shí)踐表明，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng)和可導(dǎo)性高等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：直流系統(tǒng);絕緣電阻;隔離電路;不平衡電橋;時(shí)鐘校準(zhǔn);網(wǎng)絡(luò)通信

中圖分類號(hào)：TP277;TM72文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

直流系統(tǒng)是鐵路客車供電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其工作狀況直接影響鐵路客車的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。由于老式塑殼斷路器使用熱磁式保護(hù)，用金屬片進(jìn)行過載保護(hù)，精度較差，而漏電斷路器采用簡(jiǎn)單的檢測(cè)保護(hù)模塊，功能單一，缺乏綜合性安全保護(hù)，因此當(dāng)供電母線出現(xiàn)過壓、欠壓、短路等故障時(shí)，無法做出快速、準(zhǔn)確的反應(yīng)，存在安全隱患[2]。故對(duì)直流系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與快速反應(yīng)具有重要意義。

本文研制的鐵路客車DC 48 V絕緣監(jiān)測(cè)裝置新增數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、時(shí)鐘校準(zhǔn)、定期自檢、網(wǎng)絡(luò)通信等功能，包含嵌入式控制、USB存儲(chǔ)、無線藍(lán)牙通信等功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流母線對(duì)地的漏電阻值，當(dāng)測(cè)量值達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)觸發(fā)聲光報(bào)警。同時(shí)，存儲(chǔ)模塊實(shí)時(shí)存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，用戶可用U盤通過USB接口下載數(shù)據(jù)做后續(xù)的計(jì)算分析，并可通過手機(jī)等帶有藍(lán)牙功能的無線通信設(shè)備對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，還可利用PC設(shè)備對(duì)裝置進(jìn)行定期軟件升級(jí)。

1 裝置的結(jié)構(gòu)原理

DC 48 V絕緣監(jiān)測(cè)裝置采用STM32作為主控制器，包含不平衡橋式電路、隔離模塊、調(diào)理電路模塊、USB接口模塊、E2PROM存儲(chǔ)模塊、液晶顯示模塊、聲音報(bào)警模塊、狀態(tài)指示模塊、藍(lán)牙模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊。DC 48 V絕緣監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，各模塊實(shí)現(xiàn)方案及功能如下：

（1）不平衡橋式電路：在正負(fù)母線與接地外殼之間接入一系列電阻，通過控制接入電阻阻值的大小以及各電阻上不同的電壓測(cè)量值，列出相關(guān)方程組計(jì)算出正負(fù)母線對(duì)地絕緣阻值的大小[3]。同時(shí)，可通過控制不平衡橋式電路中的開關(guān)K2，K3實(shí)現(xiàn)定期自檢功能。

（2）隔離模塊：將正負(fù)母線對(duì)地電壓分別通過2個(gè)ADuM4190隔離運(yùn)放進(jìn)行隔離處理后再分別輸入電壓采樣模塊，有效避免待測(cè)電壓信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的干擾[4]。

（3）調(diào)理電路模塊：將隔離后的正負(fù)母線對(duì)地電壓經(jīng)濾波和阻抗匹配后送入單片機(jī)的A/D采樣模塊[5]。

（4）E2PROM存儲(chǔ)模塊：選用M24M02-DR型號(hào)的大容量E2PROM，實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)并供用戶下載。

（5）USB接口模塊：選用USB118AD模塊，系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可供U盤等帶有USB接口的存儲(chǔ)設(shè)備下載。

（6）液晶顯示模塊：選用5寸800×480點(diǎn)陣、RGB888的LCD彩色電容液晶屏幕，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)以及各種信息。

（7）聲音報(bào)警及狀態(tài)指示模塊，當(dāng)發(fā)生以下幾種情況時(shí)觸發(fā)報(bào)警，蜂鳴器啟動(dòng)，LED紅燈閃爍：

①超壓報(bào)警：當(dāng)母線電壓超過49 V時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

②欠壓報(bào)警：當(dāng)母線電壓低于47 V時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

③絕緣報(bào)警：當(dāng)系統(tǒng)接地電阻≤1 kΩ時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

（8）藍(lán)牙模塊：選用HC-05藍(lán)牙通信模塊與具有藍(lán)牙功能的移動(dòng)通信設(shè)備連接，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)[6]。

（9）網(wǎng)絡(luò)通信模塊：具有RS 232接口和RS 485接口，可將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，同時(shí)定期進(jìn)行系統(tǒng)程序更新與維護(hù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 不平衡電橋電路的設(shè)計(jì)

不平衡電橋法基本原理如圖2所示。RA，RB分別表示正負(fù)母線與地之間的絕緣電阻，U1，U2分別表示電阻RA，RB上的分壓值。

通過控制開關(guān)K1的通斷改變正負(fù)母線電壓在電阻RA，RB上的分壓比。當(dāng)K1閉合時(shí)，可得：

式中U1'，U2'表示當(dāng)K1斷開時(shí)正負(fù)母線在RA，RB上的壓降。聯(lián)立式（1）、式（2）即可解得RA，RB值。

當(dāng)裝置進(jìn)行定期自檢時(shí)，可通過單片機(jī)控制K2，K3通斷。將RC，RD接入電路，其中RC，RD均設(shè)置為800 Ω，此時(shí)正負(fù)母線對(duì)地絕緣阻值低于報(bào)警閾值，若觸發(fā)報(bào)警則裝置正常，否則裝置存在故障，應(yīng)立即檢修。

2.2 母線電壓采樣與隔離電路

測(cè)算正負(fù)母線對(duì)地絕緣阻值時(shí)需對(duì)正負(fù)母線的對(duì)地電壓進(jìn)行采樣，為了避免強(qiáng)電對(duì)處理電路的干擾，在對(duì)正負(fù)母線電壓采樣前需加入隔離電路對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行隔離，同時(shí)將電壓調(diào)至0～3.3 V。其中負(fù)母線電壓經(jīng)過反相電路轉(zhuǎn)換成正電壓輸入隔離運(yùn)放，后級(jí)電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)阻抗匹配[7]。圖3所示為母線電壓采樣與隔離電路原理圖。

2.3 主要模塊選擇

2.3.1 MCU的選擇

MCU是整個(gè)裝置的控制核心，其主要功能為母線電壓采樣處理、LCD電容屏驅(qū)動(dòng)、藍(lán)牙模塊配置與連接、網(wǎng)絡(luò)接口配置、聲光報(bào)警模塊控制、E2PROM及USB存儲(chǔ)模塊配置。設(shè)計(jì)中選擇處理能力強(qiáng)、集成度高、能耗較低，易于開發(fā)與調(diào)試的STM32F429系列單片機(jī)。

2.3.2 顯示模塊的選擇

為了方便用戶操作，選用5寸電容觸控屏，顯示更多信息的同時(shí)獲得更好的人機(jī)交互體驗(yàn)[8]。

2.3.3 藍(lán)牙模塊的選擇

在監(jiān)測(cè)直流系統(tǒng)絕緣狀況時(shí)，系統(tǒng)時(shí)鐘累積誤差會(huì)影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為了解決這個(gè)問題，選用HC-05藍(lán)牙模塊定期通過帶有藍(lán)牙功能的移動(dòng)設(shè)備對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)更新，在確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的同時(shí)提高便攜性。

2.3.4 存儲(chǔ)模塊的選擇

漏電時(shí)的絕緣電阻以及時(shí)間點(diǎn)都是監(jiān)測(cè)時(shí)比較重要的數(shù)據(jù)。為了方便存儲(chǔ)和下載，選用E2PROM-M24M02-DR存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并使用USB-OTG功能，以裝置作為主機(jī)將漏電阻和時(shí)間數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)盤。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 母線絕緣監(jiān)測(cè)

在不平衡電橋條件下，利用母線電壓計(jì)算接地電阻的大小。采樣到母線電壓后，對(duì)其電壓狀態(tài)進(jìn)行分析。若存在嚴(yán)重超壓或欠壓的情況則直接觸發(fā)報(bào)警，情況正常則計(jì)算出接地電阻的阻值并與設(shè)定閾值進(jìn)行比較。若所得接地電阻阻值小于設(shè)定閾值，則觸發(fā)報(bào)警。母線絕緣監(jiān)測(cè)流程如圖4所示。

3.2 接地電阻的計(jì)算

根據(jù)式（1）、式（2）可得電阻RA，RB的計(jì)算公式為：

4 裝置具體實(shí)施方案

當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，先進(jìn)入自檢模式。主控MCU發(fā)出控制信號(hào)，接通繼電器K2，進(jìn)行第一次自檢;然后接通繼電器K3，進(jìn)行第二次自檢。若兩次自檢過程都導(dǎo)致聲光報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，則裝置正常。

斷開繼電器K2，K3，裝置開始正常監(jiān)測(cè)。在每個(gè)工作周期中，先接通繼電器K1，此時(shí)MCU對(duì)分壓處理好的正負(fù)母線電壓進(jìn)行第一次采樣，得到第一次的正負(fù)母線電壓U1，U2;然后斷開繼電器K1，對(duì)正負(fù)母線電壓進(jìn)行第二次采樣，得到第二次的正負(fù)母線電壓U1'，U2'。通過不平衡電橋計(jì)算公式，可在主控MCU中計(jì)算得到正負(fù)母線的絕緣電阻RA，RB。設(shè)備正常工作時(shí)不斷重復(fù)這個(gè)周期。

主控制器將計(jì)算得到的正負(fù)母線絕緣電阻與設(shè)定閾值電壓進(jìn)行比較，在LCD顯示屏上實(shí)時(shí)顯示正負(fù)母線絕緣電阻值以及當(dāng)前的絕緣狀態(tài)。若處于漏電狀態(tài)，則控制器驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器發(fā)出警報(bào)（紅色LED常亮且蜂鳴器長(zhǎng)鳴）;若處于正常狀態(tài)，則藍(lán)色LED常亮。同時(shí)，主控制器將計(jì)算得到的正負(fù)母線絕緣電阻實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到E2PROM-M24M02-DR中，供U盤下載數(shù)據(jù)。

LCD顯示屏同時(shí)顯示當(dāng)前設(shè)備的藍(lán)牙狀態(tài)以及時(shí)鐘。當(dāng)設(shè)備的藍(lán)牙模塊HC-05與外部藍(lán)牙終端設(shè)備成功連接時(shí)，裝置將實(shí)時(shí)的正負(fù)母線絕緣電阻傳輸?shù)皆摻K端設(shè)備，并且工作人員可利用手機(jī)的藍(lán)牙程序?qū)υO(shè)備時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整。裝置上增加RS 232和RS 485接口，以便操作人員利用上位機(jī)與其通信以及進(jìn)行多套裝置組網(wǎng)。

5 裝置實(shí)物及測(cè)試結(jié)果

利用實(shí)驗(yàn)室48 V直流電源模擬鐵路客車DC 48 V電源系統(tǒng)，測(cè)試裝置是否能夠準(zhǔn)確測(cè)算出絕緣阻值并及時(shí)報(bào)警以及其他相關(guān)功能。DC 48 V絕緣監(jiān)測(cè)裝置實(shí)物如圖5所示。測(cè)試結(jié)果見表1所列，誤差在容許范圍內(nèi)，具有較高的測(cè)量精度。

6 結(jié) 語

傳統(tǒng)的DC 48 V絕緣監(jiān)測(cè)裝置功能都較為單一，無法存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析，且較長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)鐘誤差累積又會(huì)影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本文提出的設(shè)計(jì)方案改進(jìn)了傳統(tǒng)DC 48 V絕緣監(jiān)測(cè)裝置的各項(xiàng)功能，增加了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)通信功能，解決了時(shí)鐘累積誤差的問題。經(jīng)模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該裝置可準(zhǔn)確地測(cè)算出正負(fù)母線對(duì)地絕緣阻值，并正常實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)報(bào)警功能。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能擴(kuò)展方便，可靠性高，具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

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